Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11893
Title: Extension of the virtual sources method for prediction of the sound field around complex geometries
Other Titles: Επέκταση της μεθόδου εικονικών πηγών για την πρόβλεψη ακουστικού πεδίου γύρω από περίπλοκες γεωμετρίες
Authors: Ρουβάς, Διονύσιος-Μάριος
Keywords: Virtual sources
Reflection
Higher-order diffraction
Edge diffraction
Keywords (translated): Εικονικές πηγές
Ανακλάσεις
Περιθλάσεις υψηλότερης τάξης
Abstract: The prediction of the acoustic field produced by a known sound source around a complex geometry is investigated. On the triangulated surface of a solid object sound is reflected from the planar surfaces of the triangles and is diffracted by edges of two adjacent triangles that are not co-planar. The present thesis involves the use of existing frequency-domain solutions to describe the contribution of each part of the geometry and an algorithm, suited for complex geometries with large number of triangles, which replaces each part of the geometry with its corresponding virtual source. Specifically, planar surfaces are replaced with virtual sources according to the image source method (to account for reflections), while the edges of adjacent non-planar surfaces by virtual sources according to the Directive Line Source Model (to account for edge diffraction). This method has been proven by Menounou, Klagkos to be quite accurate even though multiple-diffraction propagation paths could not be calculated and were ignored by the algorithm. In this thesis, the method is extended to include multiple and higher-order diffraction by wedges using the enhanced Directive Line Source Model . The algorithm we propose here proves to be able to identify every propagation path regardless the geometry of the problem. Complex propagation paths that include multiple reflections between diffractions can now be handled, making sure that no physical path is ignored. The virtual source method, being an image source method, does not suffer from numerical or undersampling errors which occur in ray and beam tracing methods and computational aeroacoustics methods. Moreover, the computational cost remains the same irrespective of the sound source frequency or the propagation distance. Thus, it is applicable to any geometry and for any frequency, unlike the finite element and boundary element methods which encounter problems when the frequency is high or when the geometry is complex. The geometries considered span from noise barriers on the ground and desks configurations inside an office, to airfoil geometries. In the cases examined the surrounding fluid was considered quiescent and homogenous, the sound source an omni-directional spherical source, while the surfaces of the objects rigid or partially absorbing. The results obtained with our model show good agreement with experimental data and/or results from other numerical methods, especially in the cases where parallel edges are present like double or triple knife-edge barriers, single wide barriers and the doubly inclined barrier. The discrepancies that appear in the case of the desk geometry can be eliminated by increasing the order of diffraction and the order of reflection in order to achieve convergence and by employing more realistic absorption coefficients. In the case of the airfoil, despite not having experimental data for comparison, the predicted acoustic pressure field seems to be realistic as we increase the order of diffraction. The predicted diffraction paths illuminate areas that were previously in the shadow regions. The results produced by the algorithm validate the analytical approach that we use. Even in the case where there is not an absolute agreement with the experimental data, the algorithm proves to be able to produce the correct pattern and the discrepancies that appear are due to false values of the absorption coefficients that we use.
Abstract (translated): Σκοπός της εργασίας είναι πρόβλεψη του ακουστικού πεδίου που παράγεται από μια γνωστή πηγή ήχου γύρω από μια πολύπλοκη γεωμετρία. Στην τριγωνοποιημένη επιφάνεια ενός στερεού, ο ήχος ανακλάται από τις επίπεδες επιφάνειες των τριγώνων και περιθλάται από την κοινή ακμή δύο γειτονικών τριγώνων που δεν είναι ομοεπίπεδα. Η παρούσα εργασία περιλαμβάνει τη χρήση ήδη υπάρχουσων λύσεων για το πεδίο συχνοτήτων για να περιγράψει τη συμβολή του κάθε τμήματος της γεωμετρίας και ενός αλγορίθμου, κατάλληλου για πολύπλοκες γεωμετρίες με μεγάλο αριθμό τριγώνων, που αντικαθιστά κάθε τμήμα της γεωμετρίας με την αντίστοιχη εικονική πηγή. Συγκεκριμένα, οι επίπεδες επιφάνειες αντικαθίστανται με εικονικές σημειακές πηγές σύμφωνα με τη μέθοδο των εικονικών πηγών (για να μοντελοποιηθούν οι ανακλάσεις), ενώ οι ακμές των γειτονικών μη ομοεπίπεδων επιφανειών αντικαθίστανται από εικονικές γραμμικές πηγές σύμφωνα με το Directive Line Source Model (μοντελοποιεί περίθλαση γύρω από ακμή). Αυτή η μέθοδος έχει αποδειχτεί από τον Menounou, Klagkos ότι είναι αρκετά ακριβής, παρόλο που τα ακουστικά μονοπάτια διάδοσης πολλαπλών περιθλάσεων δεν μπορούσαν να υπολογιστούν και αγνοήθηκαν από τον αλγόριθμο. Σε αυτή την εργασία, η μέθοδος επεκτείνεται ώστε να περιλαμβάνει παλλαπλές και υψηλότερης τάξης περιθλάσεις χρησιμοποιώντας το βελτιωμένο Directive Line Source Model. Ο αλγόριθμος που προτείνουμε εδώ αποδεικνύεται ότι είναι σε θέση να αναγνωρίσει κάθε μονοπάτι διάδοσης ανεξάρτητα από τη γεωμετρία του προβλήματος. Σύνθετα μονοπάτια διάδοσης που περιλαμβάνουν πολλαπλές ανακλάσεις μεταξύ περιθλάσεων μπορούν πλέον να υπολογιστούν, διασφαλίζοντας ότι δεν αγνοείται κανένα φυσικό μονοπάτι. Η μέθοδος εικονικών πηγών δεν πάσχει από αριθμητικά ή δειγματοληπτικά σφάλματα που εμφανίζονται στις μεθόδους ray tracing και beam tracing και στις μεθόδους υπολογιστικής αεροακουστικής. Επιπλέον, το υπολογιστικό κόστος παραμένει το ίδιο ανεξάρτητα από τη συχνότητα της πηγής ή την απόσταση διάδοσης. Επομένως, είναι εφαρμόσιμη σε οποιαδήποτε γεωμετρία και για οποιαδήποτε συχνότητα, σε αντίθεση με τις μεθόδους finite element και boundary element που αντιμετωπίζουν προβλήματα όταν η συχνότητα είναι υψηλή ή όταν η γεωμετρία είναι πολύπλοκη. Οι γεωμετρίες που εξετάζονται κυμαίνονται από ηχοπετάσματα στο έδαφος και διατάξεις γραφείων μέσα σε δωμάτιο μέχρι και γεωμετρίες αεροτομής. Στις περιπτώσεις που εξετάστηκαν το περιβάλλον ρευστό θεωρήθηκε ομογενές και ακίνητο, η πηγή ήχου είναι μια παντοκατευθυντική σφαιρική πηγή, ενώ οι επιφάνειες των αντικειμένων είναι ακουστικά σκληρές ή μερικώς απορροφητικές. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν με το μοντέλο μας δείχνουν καλή συμφωνία με πειραματικά δεδομένα ή / και με αποτελέσματα από άλλες αριθμητικές μεθόδους, ειδικά στις περιπτώσεις όπου υπάρχουν παράλληλες ακμές όπως στα διπλά ή τριπλά knife-edge πετάσματα, στα μονά πλατιά πετάσματα και στο διπλά-κεκλιμένο πέτασμα. Οι αποκλίσεις που εμφανίζονται στην περίπτωση της γεωμετρίας γραφείου μπορούν να εξαλειφθούν αυξάνοντας την τάξη περίθλασης και την τάξη αντανάκλασης προκειμένου να επιτευχθεί σύγκλιση και χρησιμοποιώντας πιο ρεαλιστικούς συντελεστές απορρόφησης. Στην περίπτωση της αεροτομής, παρά το γεγονός ότι δεν διαθέτουμε πειραματικά δεδομένα για σύγκριση, το υπολογιζόμενο πεδίο ακουστικής πίεσης φαίνεται να είναι ρεαλιστικό καθώς αυξάνουμε την τάξη περίθλασης. Τα μονοπάτια περίθλασης που υπολογίζονται φωτίζουν περιοχές που ήταν προηγουμένως σε ζώνες σκίασης. Τα αποτελέσματα που παράγονται από τον αλγόριθμο επικυρώνουν την αναλυτική προσέγγιση που χρησιμοποιούμε. Ακόμη και στην περίπτωση που δεν υπάρχει απόλυτη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα, ο αλγόριθμος αποδεικνύεται ότι είναι σε θέση να παράγει το σωστό μοτίβο ενώ οι αποκλίσεις που εμφανίζονται οφείλονται στις λανθασμένες τιμές των συντελεστών απορρόφησης που χρησιμοποιούμε.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών (ΜΔΕ)



Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.